巢湖北岸中东部水土迁移过程及规律研究

论文摘要

巢湖位于安徽省中部,是中国五大淡水湖泊之一。20世纪80年代水体开始呈现富营养化状态,以后富营养化逐步加剧,现已演变成为全国富营养化最为严重的淡水湖泊之一。这严重影响了沿湖地区工农业生产发展和人民生活用水安全。虽然巢湖已经被列为国家重点治理湖泊之一,但到目前为止,巢湖水体富营养化状况依旧严重。造成这种现象的原因,是由于没有从根本上实行内源修复和外源防控的治理措施。而水土迁移作为非点源污染的主要途径和重要形式,可携带大量泥沙、氮、磷等物质进入巢湖水体,造成水体富营养化。本文通过对巢湖北岸典型地区水土迁移过程研究,揭示水土迁移和养分迁移的特征和规律,提出控制巢湖流域水土迁移的针对性措施,期望在治理巢湖水体富营养化过程中,能为外源防控决策提供理论依据和实际参考。本研究共分5个部分。第一部分,回顾分析水土迁移国内外研究进展和巢湖流域环境问题及研究状况。第二部分,通过野外调查和实验,对坡面土壤养分的时空变化和输出特征进行研究。第三部分,采用室内模拟实验,开展坡面径流、泥沙的产生过程和迁移规律研究,并对径流和泥沙中养分迁移过程和特征进行分析。第四部分,运用水土迁移模型和养分迁移模型,结合实测数据,进行水土迁移量和养分迁移量的估算和预测。第五部分,结合巢湖流域实际情况,对水土迁移的防控和治理技术进行了探讨。本研究取得如下成果:（1）野外调查和野外实验表明,由于水土迁移和养分迁移的影响,野外坡面土壤中氮磷元素含量总体上有随时间延长而降低,随空间高度增加而降低的趋势。在次降雨过程中,表层土壤中细小颗粒（粘粒和粉粒）与氮磷元素会移失,从而导致表层土壤中的养分含量都有不同程度的下降。其中,水解氮与速效磷的降低幅度较大（西瓜地、空闲地、油菜地水解氮和速效磷降雨前后降低幅度都在8.0%以上）,而全氮和全磷养分含量降幅很小（西瓜地、空闲地、油菜地全氮降幅分别为2.17%、1.86%和1.54%,全磷降幅分别为0.27%、0.22%和0.20%）。在不同利用方式下,降雨后田间表土细小颗粒（粘粒与粉粒）相对减少,粗大颗粒（砂粒）相对增多的幅度是不同的,表现出西瓜地最大,油菜地最小的特征。实验进一步证实,流失泥沙具有富集粘粒和养分的特征。表现在,油菜地、西瓜地和空闲地粘粒的富集率都达到1.20以上,全氮与速效磷的富集率都在1.28-1.39之间,全磷和水解氮富集率基本处在1.13-1.30之间。马鞍山坡面氮元素的富集率是1.26,磷素的富集率为1.15。通过对马鞍山坡面土壤和氮磷元素迁移量的监测和估算显示,土壤的平均迁移量为5412t/km2·a,土壤中氮元素和磷元素的平均迁移量分别为9.12t/km2·a和2.30t/km2·a。（2）首次利用巢湖北岸的主要土壤类型（黄棕壤、黄褐土、粗骨土）就坡面产流产泥沙过程和养分迁移过程进行了模拟实验。实验显示,坡面产流过程受降雨强度、坡面坡度、土壤类型、土壤前期含水量等因素的影响,坡面产流历时与降雨强度、坡面坡度、土壤前期含水量之间呈反相关,坡面产流量与降雨强度之间正相关,较大的稳定径流量出现时间与土壤前期含水量之间呈反相关;不同土壤类型,由于土壤质地和孔隙度等差异,坡面产流过程也不同。径流含沙量曲线变化特征是,在产流开始后逐渐上升,达到一个峰值后逐渐下降。其中,径流含沙量曲线的峰值出现时间与降雨强度、坡面坡度呈反相关;流失泥沙累积量与降雨强度、坡面坡度、径流累积总量之间呈正相关。坡面养分流失主要通过径流和泥沙两种形式来实现。其中,泥沙携带是养分迁移的主要形式。养分迁移总量与径流累积量、泥沙累积量之间都呈正相关。通过对黄褐土等的模拟实验还显示,流失泥沙中养分含量普遍高于原土壤对应的养分含量,即流失泥沙具有富集养分的特性。从三种土壤富集来看,粗骨土的富集率最高,黄褐土的富集率最低。从养分形态来看,三种土壤富集率大小规律总体是,速效磷＞水解氮＞全氮＞全磷。（3）用SCS径流曲线参数法对龟山地区水土迁移中的径流进行了研究和预测。预测结果是,研究区的年径流量为470.0mm。（4）采用侵蚀针法和USLE模型对龟山地区进行了土壤侵蚀量的估算或预测,结果分别是4107.57t/km2·a和3847.6t/km2·a,显示了两种预测结果基本一致性,但也显示了USLE模型法较侵蚀针法预测结果要稍微偏大的特点。（5）利用公式E=（Er1*S+Er2*Q）*C,对研究区养分迁移量进行了计算。结果显示,利用SCS曲线法结合USLE模型预测研究区内氮素迁移量为8.027t/km2·a,磷素迁移量为2.903t/km2·a。其中氮和磷元素通过泥沙携带造成的损失占养分迁移总量的90.92%和90.36%,进一步证实泥沙携带是养分迁移的主要形式。（6）根据水土迁移和养分流失的研究,提出了针对巢湖周边的农耕技术、生物技术和工程措施相结合的水土迁移防控和治理措施。在低山丘陵区,应该采用植树种草为主的生物措施,重点进行土壤侵蚀的控制;在丘岗地区,通过农林复合生产、等高种植、等高梯田等措施,以达到截流保土的目的;而在冲积平原区,提倡保护性耕作和多层次缓冲带建设,达到重点控制污染物或养分流失的目的。最终从根本上控制外源污染物对巢湖的输入,实现逐步改善巢湖水质的目标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 致谢
• 第一章 前言
• 1.1 巢湖流域概况
• 1.1.1 自然环境特征
• 1.1.2 社会经济状况
• 1.2 主要环境问题及研究进展
• 1.3 研究区的确定
• 1.4 课题来源和研究目的
• 1.5 研究方法与技术路线
• 1.6 取得的主要成果
• 第二章 水土迁移的研究进展
• 2.1 水土迁移的概念
• 2.1.1 土壤侵蚀
• 2.1.2 水土流失
• 2.1.3 水土迁移
• 2.2 坡面径流
• 2.2.1 坡面径流的形成
• 2.2.2 坡面径流的水动力学特征
• 2.2.3 细沟流水动力特征
• 2.3 坡面土壤侵蚀
• 2.3.1 土壤侵蚀方式
• 2.3.2 坡面土壤侵蚀模型
• 2.4 养分迁移
• 2.4.1 养分迁移过程
• 2.4.2 养分迁移模型
• 2.5 本章小结
• 第三章 土壤侵蚀及土壤中氮磷时空变化特征
• 3.1 引言
• 3.2 研究方法
• 3.2.1 实验材料与样品采集
• 3.2.2 测定项目与分析方法
• 3.3 土壤中氮磷元素的时空变化
• 3.3.1 土壤中P元素含量的变化
• 3.3.2 土壤中N元素含量的变化
• 3.4 降雨前后土壤颗粒组成的变化特征
• 3.5 降雨前后土壤中氮磷元素含量的变化特征
• 3.6 土壤粘粒与氮磷元素富集特征
• 3.7 土壤及N、P元素的迁移和估算
• 3.8 本章小结
• 第四章 土壤和流失泥沙的颗粒组成及养分特征
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 田间实验方法
• 4.2.2 测试项目和分析方法
• 4.3 降雨前后土壤与流失泥沙的颗粒组成变化
• 4.3.1 降雨前后表层土壤颗粒组成变化
• 4.3.2 流失泥沙的颗粒组成变化
• 4.4 降雨期间养分迁移特征
• 4.4.1 降雨前后田间土壤养分含量变化特征
• 4.4.2 径流中养分含量变化特征
• 4.4.3 流失泥沙中养分含量变化特征
• 4.5 迁移养分的相关性分析
• 4.5.1 不同养分之间的关系
• 4.5.2 养分迁移与颗粒组成的关系
• 4.5.3 流失泥沙粘粒富集及养分富集特征
• 4.6 本章小结
• 第五章 坡面产流产泥沙与养分迁移过程分析
• 5.1 引言
• 5.2 研究方法
• 5.2.1 实验设计
• 5.2.2 测定和分析方法
• 5.3 坡面产流过程
• 5.3.1 坡面降雨入渗分析
• 5.3.2 坡面产流理论分析
• 5.3.3 土壤前期含水量对产流的影响
• 5.3.4 降雨强度对产流的影响
• 5.3.5 坡面坡度对产流的影响
• 5.3.6 土壤类型对产流的影响
• 5.3.7 坡面径流模型
• 5.4 坡面产泥沙过程
• 5.4.1 坡面产泥沙的动力学分析
• 5.4.2 降雨强度对产泥沙的影响
• 5.4.3 坡面坡度对产泥沙的影响
• 5.4.4 坡面径流与产泥沙的关系
• 5.4.5 坡面产泥沙模型
• 5.5 坡面养分迁移过程
• 5.5.1 养分迁移机理分析
• 5.5.2 径流中养分迁移特征
• 5.5.3 泥沙中养分迁移特征
• 5.5.4 养分迁移量与径流量和泥沙迁移量的关系
• 5.5.5 径流中养分与泥沙中养分含量的关系
• 5.5.6 养分迁移过程中的富集特征
• 5.6 本章小结
• 第六章 水土迁移量和养分迁移量预测
• 6.1 引言
• 6.2 材料与方法
• 6.2.1 研究区概况
• 6.2.2 研究方法
• 6.3 年径流量的计算
• 6.3.1 SCS模型的基本原理
• 6.3.2 相关参数的确定
• 6.3.3 计算结果
• 6.4 土壤侵蚀量估算
• 6.4.1 USLE模型估算
• 6.4.2 侵蚀针法估算
• 6.4.3 USLE模型与侵蚀针法预测比较
• 6.5 养分流失量预测
• 6.5.1 养分流失模型预测原理
• 6.5.2 养分流失模型中参数的确定
• 6.5.3 养分流失量的预测结果
• 6.5.4 养分流失对巢湖富营养化的影响
• 6.6 本章小结
• 第七章 水土迁移的防控和治理
• 7.1 引言
• 7.2 水土迁移的防控与治理
• 7.2.1 低山丘陵区
• 7.2.2 丘岗地区
• 7.2.3 冲积平原区
• 7.3 本章小结
• 第八章 结论与讨论
• 8.1 主要结论
• 8.2 讨论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的主要研究经历及发表论文